JP5139657B2

JP5139657B2 - 圧力変動吸着型酸素濃縮装置

Info

Publication number: JP5139657B2
Application number: JP2006245334A
Authority: JP
Inventors: 賢治武政; 一元宮嶋; 暢内山
Original assignee: Teijin Pharma Ltd
Current assignee: Teijin Pharma Ltd
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2026-09-11
Also published as: JP2008061929A

Description

本発明は、大気中から酸素富化空気、酸素濃縮気体を分離して使用するための酸素濃縮装置に関する。更に詳細には、圧力変動吸着型酸素濃縮装置に関し、該積算時間の経過に伴い、該空気供給手段及び／又は該吸着床に充填されている該吸着剤の性能低下によって生成酸素濃縮気体の体積濃度の低下を防ぎ、該積算時間の経過に影響されること無く安定的に使用者に所定濃度以上の酸素濃縮気体を供給できるようにした、改善された圧力変動吸着型酸素濃縮装置に関する。

近年、肺気腫、肺結核後遺症や慢性気管支炎などの慢性呼吸器疾患に苦しむ患者が増加する傾向にあるが、かかる患者に対する治療方法として、高濃度酸素を吸入させる酸素吸入療法が行われている。酸素吸入療法とは前記疾病患者に対して酸素ガス若しくは酸素濃縮気体を吸入させる治療法である。治療用の酸素ガス或いは濃縮酸素気体の供給源としては、高圧酸素ボンベ、液体酸素ボンベ、酸素濃縮装置等の使用が挙げられるが、長時間の連続使用に耐えることができ、また使い勝手がよいなどの理由により、酸素濃縮装置を使用するケースが増加している。

酸素濃縮装置は空気中の酸素を分離し、濃縮することを可能にした装置である。かかる酸素を分離濃縮する装置としては、90％以上の高濃度の酸素が得られるという観点で、空気中の窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を1個或いは、複数の吸着床に充填した吸着型酸素濃縮装置が広く知られている。その中でも圧力変動装置としてコンプレッサーを用いた圧力変動吸着型酸素濃縮装置が広く世の中に広まっている。かかる装置は通常窒素を選択的に吸着する吸着剤を充填させた1個或いは複数の吸着床に対して、コンプレッサーから圧縮空気を供給し、吸着床内を加圧状態にして窒素を吸着させ、未吸着の高濃度の酸素を得る吸着工程と、吸着床内を減圧して窒素を脱着させる脱着工程からなり、これを一定サイクルで繰り返すことで、高濃度の酸素を得る装置である。

生成する酸素濃度の経時的変化、装置の経時劣化に伴う酸素濃度低下を補償し、酸素濃度を一定に保持するため、酸素濃縮気体の酸素濃度を酸素センサーで検知し、コンプレッサー風量や吸脱着のサイクルタイムなどをフィードバック制御することで製品酸素濃度を維持する装置が知られている（特許文献１）。
酸素濃縮装置の保守点検において、当該装置の積算使用時間を確認し、各種保守管理を実施することは重要であり、積算使用時間の確認の方法としては、当該装置に備えられたアワーメータを用いる方法、外部端末を用いて管理する方法（特許文献２、特許文献３）が広く用いられている。

特表2000-516854号公報特開2002-306601号公報特開平7-227516号公報

在宅酸素療法では、医師の処方により吸入する酸素量が決定され、圧力変動吸着型酸素濃縮装置を酸素供給源として使用する場合、90％以上の酸素濃度が常に生成されることを前提として、患者の血中酸素濃度データを基にして処方酸素流量及び吸入時間が決定される。使用者の多くは慢性呼吸器疾患患者であるため、かかる装置は1年、2年といった長期間にわたり連続使用される。その結果、空気中の水分の吸着などにより吸着剤が経時劣化し、生成酸素濃度が徐々に低下していく傾向にある。吸着筒に加圧空気を供給するコンプレッサーにおいても、ピストンカップの磨耗が徐々に進行し、風量低下に伴う酸素濃度低下が徐々に生じる。

通常、かかる経時的な酸素濃度低下を予め予想し、初期の酸素濃度を94％といった高めの値に設定し、2年間の連続運転後の酸素濃度値を90％以上に維持するような仕様とする場合がある。初期酸素濃度値を高めに設定するため、吸着床として使用する吸着剤を増量したり、コンプレッサー供給風量を高めに設定したりする必要があり、吸着筒の大型化、コンプレッサーの供給能力アップに伴う大型化、消費電力の増加といった製造費用、維持費用のコストアップに繋がる課題が生じる。

生成する酸素濃度の経時的変化、装置の経時劣化に伴う酸素濃度低下を補償し、酸素濃度を一定に保持するため、酸素濃縮気体の酸素濃度を酸素センサーで検知し、コンプレッサー風量や吸脱着のサイクルタイムなどをフィードバック制御することで製品酸素濃度を維持する装置が知られている。かかる装置は装置運転初期のオーバースペックの問題を解消し、消費電力の低減を実現すると共に、製品ガス中の酸素濃度を検知しフィードバック制御により、コンプレッサーの供給風量アップやサイクルタイム変更などを行うことにより、経時劣化に伴う酸素濃度低下を補償することが出来る。

また、吸着床やコンプレッサーに欠陥があった場合においても、フィードバック制御が働き、酸素濃度を一定に保持することが可能となる。しかし、本来欠陥等で長期耐久性に問題のある製品においても、かかるフィードバック制御が働き、生成酸素濃度を維持する一方で、欠陥の存在を隠す結果となり、制御が維持できなくなった場合には突然の装置の異常停止を招く。

本発明は、かかるフィードバック制御の課題を解決するものであり、以下に示す圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供する。
すなわち本発明は、酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した少なくとも１個の吸着床と、該吸着床へ空気を供給する空気供給手段、該空気供給手段からの空気を該吸着床へ供給し濃縮酸素を取出す吸着工程、該吸着床を減圧し吸着剤を再生する脱着工程を一定タイミングで繰り返すための流路切替手段を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、装置の積算運転時間を計測する積算時間計を備え、該積算時間計によって計測された前記装置の積算運転時間に基づいて、該空気供給手段の空気供給量を制御する制御手段を備えたことを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供するものである。

また本発明は、かかる積算時間計が、該空気供給手段及び／又は該吸着床の積算運転時間を計測する積算時間計、該積算時間計の計測時間に基づいて、該空気供給手段の空気供給量を制御する制御手段を備えたことを特徴とし、特に該計測時間が、複数の圧力変動吸着型酸素濃縮装置の運転結果から予想される劣化予想時間に達した時、該制御手段が、該空気供給手段の空気供給量を増加させる制御を行う手段であることを特徴とする請求項２に記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供するものである。

また本発明は、酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した少なくとも１個の吸着床と、該吸着床へ空気を供給する空気供給手段、該空気供給手段からの空気を該吸着床へ供給し濃縮酸素を取出す吸着工程、該吸着床を減圧し吸着剤を再生する脱着工程を一定タイミングで繰り返すための流路切替手段を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、装置の積算運転時間を計測する積算時間計を備え、該積算時間計によって計測された前記装置の積算運転時間に基づいて、該流路切替手段の切替時間を制御する制御手段を備えたことを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置であり、特にかかる積算時間計が、該空気供給手段及び／又は該吸着床の積算運転時間を計測する積算時間計であり、該計測時間が、複数の圧力変動吸着型酸素濃縮装置の運転結果から予想される劣化予想時間に達した時、該制御手段が、該流路切替手段の切替時間の制御を行う手段であることを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置を提供する。

本発明の圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、長期間安定的に高い酸素濃度を維持することが可能となる。更には、酸素濃度の経時劣化を予測し、初期的に吸着剤充填量や、空気供給手段の圧縮空気供給量を増加させる設計は不要となり、該圧力変動吸着型酸素濃縮装置の消費電力、コスト、重量等を大幅に抑える商品設計が可能となる。

本発明の圧力変動吸着型酸素濃縮装置の実施態様例について、従来技術と比較しながら図面を用いて説明する。但し、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
圧力変動吸着型酸素濃縮装置は、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤としてLi-X型ゼオライトを充填した吸着筒を備え、コンプレッサーから圧縮空気を一方の吸着筒に供給し、吸着床内を加圧状態にして窒素を吸着させ（吸着工程）、未吸着の高濃度の酸素を吸着筒の製品端から取出し、製品タンクに一旦貯留したのち、調圧弁、流量設定器、加湿器を介して鼻カニューラを用いて患者に供給する。他方の吸着筒は、吸着床内を減圧して窒素を脱着させて排気し、吸着剤を再生する（脱着工程）。吸着工程、脱着工程を一定サイクルで繰り返すことで、高濃度の酸素を連続的に得ることができる。吸着筒から得られた製品ガスである酸素は、所定濃度で連続的に安定供給する為、一旦製品タンクに貯留され、調圧されたのち所定流量で患者に供給される。吸着筒の数によって１筒式、２筒式、それ以上の多筒式に区別されるが、吸着筒の吸脱着工程を順次繰り返すことによって酸素濃縮気体を生成する。

図１に従来技術の酸素濃縮装置の概略フローを示す。吸着床及び流路切替手段として両機能を一体化した多筒式吸着床を用い、空気供給手段としてレシプロ式コンプレッサーを用いた。図２にかかる酸素濃縮装置を長期間運転した場合の、酸素濃縮気体中の酸素濃度の経時変化を示す。一般的に従来技術の酸素濃縮装置では、吸着床に充填されている吸着剤の磨耗劣化、吸湿劣化及びコンプレッサーの摺動部分の摩耗による吐出流量の低下によって、経時的に性能が低下する傾向を示す。経時での性能の低下傾向は、それぞれの酸素濃縮装置の設計安全代により異なるが、長期間高い酸素濃度（例えば酸素濃度90％以上）を維持するためには、初期の酸素濃度を高く設計する必要がある。初期には吸着床に充填する吸着剤の量やコンプレッサーの吐出流量を必要以上に高く設計することになり、重量増加・コストアップ・消費電力の上昇等酸素濃縮器としての商品価値が下がる設計となってしまう。

[実施例１]
図３に請求項１記載の酸素濃縮装置のフローを示す。かかる圧力変動吸着型酸素濃縮装置には積算時間計5（アワーメータ）を備える。装置の生産後の稼働時間である総積算使用時間、使用者宅への設置後の積算使用時間を１個ないしは２個のアワーメータに表示させることが一般的に行われている。定期交換もしくは整備が必要なコンプレッサー、吸着剤等の主要部品の積算使用時間については、装置内部のメモリに、主要部品の交換（整備）後の積算使用時間の算出に必要なデータを記憶させることにより、主要部品の積算使用時間を取出すことができる。
積算時間計5の指示値をＣＰＵ6へ伝達し、ＣＰＵ6からコンプレッサー制御手段7へ指示情報を伝達することにより、コンプレッサーの運転条件が変更可能となっている。

図４に実施例１記載の酸素濃縮装置を長期間運転した時の生成する酸素濃縮気体の酸素濃度を示す。図２に示すように、かかる酸素濃縮装置は積算運転時間11,000時間経過で、酸素濃度90％を下回る。複数の酸素濃縮装置の運転結果から機台のばらつき誤差を含め、劣化予想時間Ｔ１を10,000時間に設定し、積算時間計の指示値がＴ１経過時に、ＣＰＵ6を介してコンプレッサー制御手段７へコンプレッサーの回転数を増加させる指示信号を出し、該コンプレッサーの吐出流量を増加させた。結果、酸素濃度の低下傾向は大幅に改善され、長期間安定的に高い酸素濃度を得ることが可能となった。
更には、該酸素濃縮器の劣化傾向に合わせ、複数の指示値（T1,T2,T3等）を設定し、コンプレッサーの吐出流量を随時増加させる設定をすることで、より長期間安定的に高い酸素濃度を容易に得ることが可能である。

[実施例２]
図５に請求項４記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置のフローを示す。装置の基本構成は図３と同じであり、コンプレッサー風量の制御に代えて、吸脱着工程を切り替えるバルブの切り替えタイミング、すなわち、吸脱着サイクルタイムを制御する方式を採用した。積算時間計5の指示値をＣＰＵ6へ伝達し、ＣＰＵ6から該流路切替手段の切替時間を制御する制御手段8へ指示情報を伝達することにより、該流路切替手段の切替時間が変更可能となっている。

図６に実施例２記載の酸素濃縮器を長期間運転した場合の経時劣化傾向を示す。積算時間計の指示値がＴ１経過時に、ＣＰＵ６を介して該流路切替手段の切替時間を制御する制御手段８へ切替時間を増加させる指示信号を出し、該吸着時間及び該脱着時間を増加させた。結果、酸素濃度の低下傾向は比較例と比べて大幅に改善され、長期間安定的に高い酸素濃度を得ることが可能となった。

[実施例３]
図７にコンプレッサー風量及び吸脱着切り替えタイミングの両方を制御する酸素濃縮器のフローを示す。積算時間計5の指示値をＣＰＵ6へ伝達し、ＣＰＵ6からコンプレッサー制御手段7及び流路切替手段の切替時間を制御する制御手段8へ指示情報を伝達することにより、該コンプレッサーの運転条件及び、該流路切替手段の切替時間が変更可能となっている。

図８にかかる酸素濃縮装置を長期間運転した場合の、生成酸素濃縮気体中の酸素濃度の経時劣化傾向を示す。積算時間計の指示値がＴ１経過時に、ＣＰＵ6を介してコンプレッサー制御手段７及び流路切替手段の切替時間を制御する制御手段8へ指示信号を出し、該コンプレッサーの吐出流量及び該吸着時間及び該脱着時間を増加させた。結果、酸素濃度の低下傾向は比較例と比べて大幅に改善され、長期間安定的に高い酸素濃度を得ることが可能となった。

従来の酸素濃縮装置の概略フロー図。従来の酸素濃縮装置の長期運低性能を示す図。本発明の実施態様例である酸素濃縮装置の概略フロー図。本発明の酸素濃縮装置の長期運低性能を示す図。本発明の実施態様例である酸素濃縮装置の概略フロー図。本発明の酸素濃縮装置の長期運低性能を示す図。本発明の実施態様例である酸素濃縮装置の概略フロー図。本発明の酸素濃縮装置の長期運低性能を示す図。

Claims

酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した少なくとも１個の吸着床と、該吸着床へ空気を供給する空気供給手段、該空気供給手段からの空気を該吸着床へ供給し濃縮酸素を取出す吸着工程、該吸着床を減圧し吸着剤を再生する脱着工程を一定タイミングで繰り返すための流路切替手段を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、装置の積算運転時間を計測する積算時間計を備え、該積算時間計によって計測された前記装置の積算運転時間に基づいて、該空気供給手段の空気供給量を制御する制御手段を備えたことを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
該積算時間計が、該空気供給手段及び／又は該吸着床の積算運転時間を計測する積算時間計、該積算時間計の計測時間に基づいて、該空気供給手段の空気供給量を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
該計測時間が、複数の圧力変動吸着型酸素濃縮装置の運転結果から予想される劣化予想時間に達した時、該制御手段が、該空気供給手段の空気供給量を増加させる制御を行う手段であることを特徴とする請求項２に記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
酸素よりも窒素を選択的に吸着し得る吸着剤を充填した少なくとも１個の吸着床と、該吸着床へ空気を供給する空気供給手段、該空気供給手段からの空気を該吸着床へ供給し濃縮酸素を取出す吸着工程、該吸着床を減圧し吸着剤を再生する脱着工程を一定タイミングで繰り返すための流路切替手段を具備した圧力変動吸着型酸素濃縮装置において、装置の積算運転時間を計測する積算時間計を備え、該積算時間計によって計測された前記装置の積算運転時間に基づいて、該流路切替手段の切替時間を制御する制御手段を備えたことを特徴とする圧力変動吸着型酸素濃縮装置。
該積算時間計が、該空気供給手段及び／又は該吸着床の積算運転時間を計測する積算時間計であり、該計測時間が、複数の圧力変動吸着型酸素濃縮装置の運転結果から予想される劣化予想時間に達した時、該制御手段が、該流路切替手段の切替時間の制御を行う手段であることを特徴とする請求項４に記載の圧力変動吸着型酸素濃縮装置。